熱處理工藝對(duì)20CrMnTi 齒輪組織與性能的影響

時(shí)間：2013-03-26 14:12:39 來源：作者：

劉翔

(江蘇省鹽城技師學(xué)院江蘇鹽城 224002)

摘要:本文分析了20CrMnTi滲碳鋼齒輪的預(yù)備熱處理、滲碳、淬火低溫回火熱處理工藝對(duì)組織與性能的影響,并對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化,提高材料的性能,降低生產(chǎn)成本,提高了經(jīng)濟(jì)效果。

關(guān)鍵詞:預(yù)備熱處理滲碳淬火低溫回火馬氏體

中圖分類號(hào):TG161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):1672-3791(2010)06(b)-0252-02

滲碳鋼通常是指經(jīng)滲碳淬火, 低溫回火后使用的鋼。20CrMnTi滲碳鋼是一種低碳合金鋼,工藝性能優(yōu)良,廣泛用于截面小于30mm承受高速、中等或重載及受沖擊載荷和摩擦的重要滲碳零件,如汽車、拖拉機(jī)中的變速齒輪、凸輪、礦山機(jī)械使用的重載齒輪等, 但往往由于齒輪熱處理質(zhì)量不過關(guān), 會(huì)造成加工困難、齒輪磨削中存在裂紋、組織和力學(xué)性能不合格等。本文通過對(duì)齒輪的預(yù)備熱處理、滲碳、淬火回火幾個(gè)方面分析, 進(jìn)行工藝優(yōu)化, 來提高材料的性能, 降低生產(chǎn)成本。

20CrMnTi齒輪鋼要達(dá)到加工、使用所需性能必須進(jìn)行熱處理, 目的是提高表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度,心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性。一般齒輪加工的工藝路線如下。

鍛造→正火→齒形加工→滲碳→淬火、低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→磨齒[1]。一般齒輪毛坯采用鍛造毛坯, 經(jīng)鍛造以后晶粒大小形狀發(fā)生了變化, 改變了鋼的組織, 增加了鍛造應(yīng)力, 提高了硬度, 在機(jī)械加工前需預(yù)備熱處理。

1 預(yù)備熱處理

通常20CrMnTi選用正火或調(diào)質(zhì)處理作為預(yù)備熱處理,其目的是降低鋼的硬度,提高塑性, 以利于切削加工; 細(xì)化晶粒,均勻鋼的組織及成分,改善鋼的性能,為以后的熱處理作準(zhǔn)備;消除鍛造應(yīng)力,防止變形和開裂, 保證齒形合格。

1.1 正火

正火是將鋼加熱到Ac3以上30℃～50℃,保溫足夠的時(shí)間后出爐在空氣中冷卻到室溫。對(duì)于一般的齒輪采用正火,正火可以減少碳和其他合金元素的成分偏析; 使奧氏體晶粒細(xì)化和碳化物的彌散分布, 以便在隨后的熱處理中增加碳化物的溶解量。由于正火的冷卻速度較快, 獲得細(xì)小的片層狀滲碳體珠光體, 強(qiáng)度、硬度都較高, 力學(xué)性能較好。然而正火工藝是空冷,對(duì)于尺寸較大零件,內(nèi)外溫差大冷卻速度不穩(wěn)定,在連續(xù)冷卻時(shí),過冷奧氏體在A1-550℃溫度范圍內(nèi)分解為珠光體,在550℃-Ms溫度范圍內(nèi), 因轉(zhuǎn)變溫度較低轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織(即含碳量具有一定過飽和度的鐵素體和分散的滲碳體(或碳化物)的混合物),其特征是過飽和碳的鐵素體中分布粒狀或長(zhǎng)條狀的碳化物[1]。鍛造毛坯正火產(chǎn)生的粒狀貝氏體引起硬度增高,導(dǎo)致了齒型加工困難,使刀具早期磨損。對(duì)于車輛齒輪或大批量的小型齒輪越來越多采用等溫正火工藝。對(duì)于模數(shù)、直徑較大的質(zhì)量要求高的工業(yè)齒輪通常采用調(diào)質(zhì)作為預(yù)備熱處理[5]。

1.2 調(diào)質(zhì)

對(duì)于重要的齒輪用調(diào)質(zhì)來改善鋼的性能。在切削加工時(shí),為了不致發(fā)生“粘刀”現(xiàn)象和使刀具嚴(yán)重磨損,通過改善金相組織控制鋼的硬度。實(shí)踐證明,為了防止鍛造毛坯在預(yù)備熱處理中產(chǎn)生粒狀貝氏體影響鋼的力學(xué)性能,工藝可采用淬火后680℃～700℃高溫回火(即調(diào)質(zhì))來替代原來的正火。高溫回火后得到回火索氏體組織, 即粒狀滲碳體均勻的分布在鐵素體基體上, 應(yīng)力集中傾向小,硬度降低至200HB～330HB,切削性能較好。調(diào)質(zhì)鋼與正火鋼相比不僅強(qiáng)度較高, 而且塑性、韌性遠(yuǎn)高于后者, 同時(shí)鍛造應(yīng)力得到充分的消除, 滿足了機(jī)械加工要求, 在生產(chǎn)中已取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2 滲碳處理工藝

2.1 鋼的化學(xué)成分

20CrMnTi的含碳量為0.20％屬于低碳鋼,滲碳時(shí)保證了碳元素的正常滲入。淬火熱處理后心部獲得低碳馬氏體, 以保證心部具有足夠的塑性和韌性,抵抗沖擊載荷。鋼中合金元素為Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。Cr、Mn合金元素能提高鋼鐵索體的強(qiáng)度,同時(shí)提高鋼的淬透性。Ti元素能阻止鋼的奧氏體晶粒的長(zhǎng)大, 提高鋼的回火穩(wěn)定性。20CrMnTi齒輪根據(jù)使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的強(qiáng)韌性,所以要對(duì)20CrMnTi鋼進(jìn)行表面滲碳處理,滲碳淬火后表面得到高碳馬氏體, 具有較高的硬度和耐磨性。

2.2 滲碳工藝

滲碳淬火工藝過程中, 要防止齒輪變形, 要嚴(yán)格控制滲碳齒輪的表面碳濃度和滲層深度。因它們會(huì)對(duì)滲層組織的膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響, 滲碳后若表面形成不良碳化物分布, 將增加齒形、齒向及花鍵孔的變形,因此必須控制滲碳時(shí)的碳勢(shì),以防止表面碳濃度過高和碳量不均勻。滲碳層深度越厚,也將使畸變加大。表面含碳量影響滲碳淬火齒輪的淬透性, 而材料的淬透性對(duì)組織、性能、畸變有直接的影響[5]。因此應(yīng)使?jié)B碳層深度及其表面含碳量控制在合理適宜的范圍內(nèi)。

齒輪滲碳的方法較多,常用氣體滲碳,目前應(yīng)用電解質(zhì)氣相離子(ECA)催滲技術(shù)控制滲碳變形也取得較好效果[6]。現(xiàn)以可控井式爐中氣體滲碳為例優(yōu)化工藝, 滴入煤油、苯、甲醇等滲碳劑, 加熱溫度從一般采用的930℃改為900℃[3]。這些介質(zhì)在高溫下分解,產(chǎn)生活性碳原子,主要化學(xué)分解式如下：

2CO→[C]+CO2

CH4→2H2+[C]

活性碳原子溶入鋼表面奧氏體中, 并向內(nèi)部擴(kuò)散,最后形成一定深度的滲碳層。一般滲碳層深度取決于保溫時(shí)間, 可按每小時(shí)滲入0.2mm～0.25mm的速度估算。滲碳時(shí)要控制滲碳的時(shí)間、活性碳的濃度,使表面的含碳量控制在0.80 %～1.0 %范圍內(nèi)[4],并從表面到心部逐漸減小,心部仍保持原來低碳鋼的含碳量。滲碳的溫度越高,時(shí)間越長(zhǎng), 奧氏體晶粒越大, 齒輪的畸變?cè)酱?把加熱溫度控制900℃左右,目的是控制奧氏體晶粒長(zhǎng)大,獲得細(xì)小的奧氏體晶粒,淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織。由于滲碳只改變工件表面的含碳量, 要使?jié)B碳齒輪表面具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韌性滲碳后必須進(jìn)行熱處理。常用的是淬火后低溫回火。

3 淬火低溫回火

3.1 淬火

鋼的加熱溫度一般可根據(jù)Fe-Fe3C相圖選擇,亞共析鋼淬火加熱溫度選擇Ac3以上30℃～50℃,過共析鋼淬火加熱溫度選擇Ac1以上30℃～50℃。根據(jù)滲碳后齒輪的表層含碳量的分布狀況及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)從900℃預(yù)冷到820℃左右進(jìn)行油冷[3]可以得到好的效果。加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng),會(huì)引起奧氏體的晶粒粗大引起過熱或晶界氧化并部分熔化的過燒現(xiàn)象。過熱時(shí)奧氏體的晶粒粗大不僅降低齒輪力學(xué)性能, 也容易引起齒輪的變形和開裂。過燒后的工件只能報(bào)廢。加熱溫度過低、保溫時(shí)間不足會(huì)引起硬度不足。故可選擇900℃溫度滲碳,預(yù)冷8 2 0℃ 左右油冷淬火。淬火冷卻速度太快,奧氏體向馬氏體組織轉(zhuǎn)變劇烈、體積收縮,引起很大的內(nèi)應(yīng)力,容易造成齒輪的變形和開裂,由于20CrMnTi是合金鋼,淬透性較好,故選擇油冷減小冷卻速度,防止淬火造成齒輪變形或開裂。同時(shí)也能獲得馬氏體組織,達(dá)到較高的硬度。淬火后的鋼組織是馬氏體及少量殘余奧氏體,它們都是不穩(wěn)定的組織,有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),同時(shí)淬火時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。為了減小或消除淬火內(nèi)應(yīng)力, 穩(wěn)定組織和尺寸,獲得所需的力學(xué)性能,實(shí)踐證明重載齒輪選擇在200℃進(jìn)行4小時(shí)低溫回火[3]工藝較好。低溫回火時(shí)馬氏體中過飽和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 馬氏體晶格畸變程度減弱,內(nèi)應(yīng)力有所降低。此時(shí)的回火組織由馬氏體和碳化物組成, 稱為回火馬氏體。雖然馬氏體的分解使α-Fe中碳的過飽和程度降低,鋼的硬度相應(yīng)下降,但析出的碳化物又對(duì)基體起強(qiáng)化作用, 部分的殘余奧氏體分解為回火馬氏體, 所以鋼仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韌性。

4 結(jié)語

生產(chǎn)實(shí)踐證明20CrMnTi滲碳鋼齒輪進(jìn)行熱處理工藝優(yōu)化,可獲得良好的力學(xué)性能, 不易造成熱處理變形開裂和齒輪磨削裂紋,取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 單小君.金屬材料與熱處理(第4版)[M].北京:中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2001.

[2] 張亞明,石洪民.20CrMnTi滲碳鋼預(yù)備熱處理后加工困難的原因及改進(jìn)措施[J].煤炭技術(shù),2003(5).

[3] 王秀芹.如何止?jié)B碳淬火齒輪磨削裂紋的產(chǎn)生[J].煤礦機(jī)械,2005(8).

[4] 趙金安.滲碳淬火齒輪磨削裂紋的防止[J].機(jī)械傳動(dòng),2003(4).

[5] 顧敏.材料和熱處理工藝對(duì)滲碳淬火齒輪畸變的影響[J].機(jī)械工人,2007(10).

[6] 張希平, 王安五. 輕型車后橋圓錐齒輪滲碳淬火變形的控制[J].熱加工工藝,2001(4).

①作者簡(jiǎn)介:劉翔(1967—),女,漢族,江蘇阜寧人,學(xué)士,江蘇省鹽城技師學(xué)院高級(jí)講師,從事機(jī)械專業(yè)理論教學(xué)與教研。

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